光纤测试技术在护坡桩体深层水平位移监测中的应用

赵新 姜泉 马宏毓

摘 要：与传统检测技术相比，光纤传感可实现多点串联甚至全分布式连续测点，具有长期稳定性好、无零漂、不受电磁干扰等优点，因此在很大程度上弥补了传统监测技术的不足。结合实际基坑变形监测工程，通过与传统的观测方法获取的数据进行对比分析，证明了該技术在基坑变形监测中的可行性和有效性。

关键词：光纤测试技术;建筑基坑;变形监测

1 概述

在传统的建筑基坑变形监测工程中，各种埋入式的岩土监测仪器，如测斜仪、伸长仪、沉降仪、倾斜仪等，通常采用的振弦式、电阻式、电感式等形式的传感器，存在着精度低、耐久性差、易受环境影响、易受电磁干扰、成活率低等缺陷。与传统检测技术相比，光纤传感可实现多点串联甚至全分布式连续测点，具有长期稳定性好、无零漂、不受电磁干扰等优点，因此在很大程度上弥补了传统监测技术的不足，从而在地基基础工程检测和监测中得到越来越广泛的应用，作用越来越重要。因光纤光栅传感器具有尺寸小、质量小、抗电磁干扰、防水防潮、耐腐蚀、动态响应快、灵敏度高、易实现多点及网络化传感等优点，已广泛应用于科学研究和实际工程中，尤其是在应变测量领域得到了更为广泛的应用。

2 分布式光纤感测技术在护坡桩体深层水平位移监测中的应用工作原理

在护坡桩钢筋笼主筋上对称绑扎固定一组对称的应变感测光缆，并将光缆布设的截面方面垂直于基坑走向。通过分布式光纤应变检测技术（BOTDR）即可探测到桩身不同方位的桩身应变分布，当桩身受侧向土压力作用而发生弯曲变形后，桩身的迎土面和背土面发生拉、压应变，其拉压应变可以通过预埋在其中的传感光纤测得。

图1  桩体水平变形受力示意图

设ε1（z）和ε2（z）分别为对称分布的两条传感光纤在深度z处的应变测试值，则轴向压缩应变ε（z）和弯曲应变εm（z）值分别为：

εm（z）= （1）

ε（z）= （2）

桩身的弯曲应变大小与局部弯曲曲率成正比关系，根据弯曲应变及桩身形态参数可推算出桩身弯曲曲率：

εm（z）=          （3）

桩在发生水平挠曲后，假设深埋的桩端不发生位移，桩身各埋深点水平向位移v（z）可表示为：

v（z）=dzdz+mz+n（4）

其中m、n为待定系数，根据桩体变形的边界条件确定。在本次监测中边界条件为：

v（z）z=0=0

v（z）z=26=0          （5）

对于护坡桩，H为桩长，εm（z）为对称的两条光纤在同一深度光纤应变测试之差，y（z）即为感测光缆到中性面的距离。从式（4）中将差异应变沿着桩身路径两次积分，再根据（5）式中的边界条件，即可得到桩身的每一点水平变形位移量。

3 工程试验及监测数据处理

3.1 工程概况

试验基坑等级为一级，基坑支护采用护坡桩加锚杆的支护方式，开挖深度约21m，选择了基坑南北侧2个监测点同时采用测斜法与全分布式光纤感测技术进行了监测对比试验。试验选用了钢绳式应变感测光缆（NZS-C05）。该光缆直径为5.0mm，抗拉强度大于1400N，顺直性好。试验利用光纤应变分析仪，实现了对植入到护坡桩内光纤的应变解调，进而反向计算出护坡桩内部不同深度位置的变形位移、内力变化等大小。

3.2 数据处理

用EXCEL软件打开各期对应光缆测线的应变数据文件，统一整合到一个EXCEL表格中。将整合的数据导入到ORIGIN软件中，平通过测试数据对齐、有效测试数据截取、截取数据滤波平滑处理和光纤数据温度补偿处理4个步骤的处理后，根据上述理论方法，利用公式（1）～（5），先对平移后的光缆数据进行对称处理，一一对应上桩身两侧，将对应的桩身数据进行两两做差处理。将处理好的数据，导入到ORIGIN中，结合ORIGIN软件的特点进行运算即可得到，桩体深层水平位移量变化曲线（如下图所示）。

图2

4 试验监测数据成果对比与综合分析

4.1绝对位移量对比分析

①B1#点的各期次绝对位移量较差最大值分别为4.27mm、4.92mm、3.19mm、7.12mm，B2#点的各期次绝对位移量较差最大值分别为3.08mm、3.00mm、6.87mm、8.85mm，两点的位移量最大较差均发生在最后一次，对应观测日期2月25日，相对应的桩体位置为桩的顶部，时值春节后气温逐渐变暖、地表开始融化解冻，说明外界气温变化对分布式光纤（BOTDR）监测法采集的数据有较大影响，温度应变引起的误差较大，温度补偿计算模型还不够准确。

②在两个监测点共8次观测成果中，各期次绝对位移量较差最大值≥5mm的有3次，占38%，较差最大值为3～5mm的有4次，占50%，较差最大值≤3mm的有1次，占12%;B1#点的各期次绝对位移量较差平均值分别为6.16mm、1.88mm、0.02mm、-0.60mm，B2#点的各期次绝对位移量较差平均值分别为1.03mm、-0.45mm、1.85mm、3.06mm，较差平均值≥5mm的有1次，占12%，较差平均值为3～5mm的有1次，占12%，较差平均值≤3mm的有6次，占76%，说明采用分布式光纤（BOTDR）法监测成果数据多数较为稳定，无异常跳动现象，大部分已接近于测斜法得到的单期次绝对位移量。

③按照误差传播定律理论，桩体深层水平位移监测得出的位移量均以护坡桩最底部端点作为稳定的基点进行计算得到，测斜法是以各期次每隔0.5m观测读取对应深度相对基点的偏移量并将相邻期次偏移量求差值而得到每期次的位移量，因而相对桩底基点，桩顶部即测斜管管口位置应是测量最弱点，以测斜仪的标称精度0.25mm/0.5m作为标准中误差、桩长22.5m进行推算，桩顶部相对基点的偏移量测量中误差为1.68mm，若以2倍测量中误差（3.36mm）作为极限误差，即可认为采用光纤（BOTDR）法得到的监测成果与测斜法较差≤3mm时，则可以接受。

4.2 相对位移量对比分析

对相對位移量较差数据进行简单统计分析，同样可以得出：B1#点的相邻两期次间的相对位移量较差最大值分别为5.10mm、4.28mm、3.93mm，较差平均值分别为-1.72mm、1.86mm、0.63mm;B2#点的相邻两期次间的相对位移量较差最大值分别为3.62mm、6.36mm、3.78mm，较差平均值分别为-1.49mm、2.30mm、1.21mm;两点相对位移量较差最大值分别为5.10mm、6.36mm，较差平均值均已<3mm，由相对位移量的较差平均值再次验证了分布式光纤（BOTDR）法监测成果数据大部分与测斜法相接近。

5 结语

由以上两点采用不同监测方法得到的不同深度的绝对位移量和相邻两期次间的相对位移量比较结果可看出：少部分监测成果相差较大，测斜仪方法数据与光纤法测试数据存在一定偏差。原因主要有两方面：两种不同监测仪器测试得到数据本身具有系统性误差，该误差暂时无法消除，对测试结果造成影响;光纤法中光纤传感器同时对桩身弯曲变形和环境温度同时感应敏感，而布设安装的温度补偿光纤同时受到温度和较小的弯曲应变影响，并未能发挥良好的温度补偿效应。在对光纤数据进行处理时，以上两部分误差无法消除，造成了计算得到的桩身位移曲线与测斜仪方法测试得到位移数据存在较大偏差。

尽管温度变化对光纤BOTDR法监测有较大的影响，但也有测斜法所不具备的优势，如光纤BOTDR法监测采集的数据密度大、不受光纤长度限制、易实现网络在线自动化监测等，在许多监测领域都值得探索运用，特别是超高层建筑结构的后期健康安全监测、大型水利设施安全监测、山体滑坡、大面积沉陷区域变形等工程中进行尝试，同时采用多种监测手段互相进行验证。

参考文献：

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作者简介：赵新，1981年生于辽宁大连，工程师，从事测绘工程工作。